DE2827313C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feststellung metabolischer Aktivität in einem Wachstumsmedium nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Einrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruches 3.

Zur Ausführung schneller und genauer Messungen unterschiedlicher Medien, zur Feststellung einer metabolischen Aktivität bzw. Stoffwechselaktivität, und gelegentlich zur Identifizierung und Zählung oder Spezifizierung besonderer Mikro- Organismen ist es bereits bekannt, Änderungen einer elektrischen Impedanz mit einer derartigen Aktivität in Beziehung zu setzen. Durch Herstellung einer derartigen Beziehung zwischen metabolischer Aktivität und der Änderung der Impedanz des Wachstumsmediums können beachtliche Zeiteinsparungen bei der Feststellung der Anwesenheit der Bakterien oder eines anderen Mikro-Organismus und/oder der zellularen Aktivität erreicht werden, und zwar mit größerer Genauigkeit und zuverlässigeren Versuchsergebnissen als bei bekannten Trübungsanalysen oder radiometrischen Untersuchungsverfahren.

Ein Verfahren sowie eine Einrichtung der eingangs genannten Art, wie in der US 39 84 766 beschrieben, ermöglicht nun eine automatische Messung der Impedanzverhältnisse eines Paares von Zellen, die ein ausgewähltes Medium enthalten, wobei eines der Medien einen vermuteten mikroorganischen Kontaminationsstoff enthält. Die Änderungen der Impedanzverhältnisse der Medien stehen in einer unmittelbaren Beziehung zum Wachstum eines darin enthaltenen Mikro-Organismus.

Die Verwendung des Impedanzverhältnisses ermöglicht es, den Einfluß verschiedener Variablen, die zu Impedanzänderungen führen, zu eliminieren, mit Ausnahme des Wachstums des Organismus. Zu den variablen Einflußgrößen gehören Temperaturschwankungen, allmähliche Korrosion der Elektroden, Alterung des Mediums, Veränderungen des Mediums infolge einer Absorption von Gasen etc. Ferner gestattet diese bekannte Einrichtung eine schnelle, genaue und automatische Durchführung der Untersuchung vieler Proben.

Da die Methode, die Reaktionen einer elektrischen Kenngröße eines Mediums zu messen, um eine damit auftretende metabolische Aktivität anzuzeigen, von Benutzern und möglichen Benutzern immer mehr anerkannt wurde, wurden zusätzliche Verbesserungen derartiger Einrichtungen angestrebt. Diese Verbesserungsversuche richteten sich beispielsweise auf die Fähigkeit, unter Beachtung räumlicher Beschränkungen Hunderte oder sogar Tausende von Proben in einem System zu untersuchen, auf eine größere Genauigkeit bei der Kenntlichmachung nicht nur des Vorhandenseins in einem Medium wachsender Mikro- Organismen sondern auch deren Identifizierung, Konzentrationsgrade und Empfindlichkeit gegen Antibiotika, auf die Fähigkeit, die Schwelle herabzusetzen, bei welcher das Vorhandensein von Mikro-Organismen feststellbar ist, sowie auf ein Rechnersystem zur Überwachung einer sehr großen Anzahl von Untersuchungsproben, um verschiedene Dateneingänge jeder Probe zu analysieren und den Benutzer mit einer vielfältigen Auswahl von Ergebnissen zu versorgen einschließlich der spezifischen Identifizierung von Mikro-Organismen in einem möglichst kurzen Zeitraum.

Einer der Mängel des durch die US 39 84 766 bekannten Systems zur Feststellung des Wachstums von Mikro-Organismen besteht darin, daß es nicht möglich ist, eine sehr große Anzahl von Proben in einem Versuch zu behandeln. Zwar ist in dieser Veröffentlichung angegeben, daß große Zahlen von Zellenpaaren in der beschriebenen Einrichtung gemessen werden können. In der Praxis wirken jedoch eine Reihe von Faktoren zusammen, die die tatsächliche Anzahl der Zellenproben begrenzen, die in einem Versuch gemessen werden können. Zu diesen Faktoren gehört der Stromkreis der Einrichtung, dessen Energiequelle, ein Oszillator, eine Konstantspannungsquelle ist, an welcher jedes Zellenpaar in Reihe angeschlossen ist. Ein weiterer Faktor ist die Tatsache, daß zu jeder Probezelle eine dieser unmittelbar zugeordnete und im elektrischen Schaltkreis liegende Referenzzelle gehört. Bei Erhöhung der Anzahl der Zellenpaare wird also deren Entfernung von der Quelle der elektrischen Energie zwangsläufig größer. Praktisch versorgt der Oszillator alle parallel zueinander angeordneten Zellenpaare mit einer vorgegebenen Spannung. Es ist jedoch zu erkennen, daß hier mit einer festen Spannungsquelle Unterschiede in der an den einzelnen Zellenpaaren betrachteten Spannung auftreten, und zwar insbesondere an denjenigen Zellen, die am weitesten von der Spannungsquelle entfernt sind bzw. an zusätzlich angeschlossenen Zellen, die in dem Konstantspannungssystem zu untersuchen sind. Demzufolge erhält man bei der Ablesung der Spannung an den Zellenpaaren bei vergrößertem Abstand von der Energiequelle keine zutreffenden Werte, da die Längen der elektrischen Leitungen Übertragungsverluste bzw. eine Übertragungsdämpfung bewirken. Die Anforderungen an eine richtige Spannung sind in einem derartigen System jedoch kritisch, weil die Kennwerte zur genauen Feststellung des Wachstums eines Mikro-Organismus außerordentlich kleine Spannungsänderungen in den Zellen sind. Mit dem bekannten Systsem gehen also Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messungen verloren, wenn die Anzahl der Proben in dem System so groß ist, daß Spannungsänderungen oder unterschiedliche Werte der an diese Proben angelegten Spannungen auftreten. Zwar kann der Einfluß der Übertragungsverluste durch räumlich enge Anordnung dicht stehender Proben verringert werden, jedoch wird dabei irgendwann der für eine große Anzahl von Proben benötigte Platz aufgrund der erforderlichen Leitungslängen zwangsläufig zu einem Belastungsproblem führen.

Es verbleibt weiter der Nachteil, daß bei diesem System für jede Probenzelle eine Referenzzelle vorgesehen ist. Für jede zusätzlich zu untersuchende Probe wird also der Raumbedarf und der Aufwand für die elektrische Verdrahtung verdoppelt. Dieses bekannte System führt also nur bei einer begrenzten Anzahl von Proben zu befriedigenden Ergebnissen.

Der Erfindung liegt ausgehend von der US 39 84 766 die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Feststellung metabolischer Aktivität in einem Wachstumsmedium sowie eine Einrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens anzugeben, das es ermöglicht, mit einer einzigen Referenzzelle eine Vielzahl von Probezellen zu untersuchen, bei dem ferner kein Einfluß von Verbindungsleitungen zwischen der Schalteinrichtung und den Probenzellen vorhanden ist und durch das schließlich eine höhere Meßgenauigkeit erzielbar ist.

Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig durch den Anspruch 1 und vorrichtungsmäßig durch die im Anspruch 3 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 und 4 angegeben.

Grundsätzlich erfaßt die erfindungsgemäße Einrichtung Änderungen der an einem Medium abfallenden Spannung. Die Einrichtung weist eine elektrische Energiequelle und Mittel zur Durchleitung der elektrischen Energie durch ein Probenmedium zur Erzeugung einer Spannung an dem Medium auf. Dieses Medium verursacht einen Spannungsabfall bei einem gegebenen Stromfluß. Ferner besitzt die Einrichtung Mittel zur Erzeugung eines elektrischen Referenzsignales in Form einer Spannung.

Es sind ferner Mittel zur Messung der an der Probe abfallenden Spannung und zum Vergleich dieser Spannung mit der Referenzspannung vorgesehen.

Wenn der Spannungsabfall an Probe sich auf einen von der Bezugsspannung unterschiedlichen Betrag ändert, verändern Einstellmittel die an dem Probenmedium abfallende Spannung, um diese der Referenzspannung wieder anzunähern oder auf die Referenzspannung abzugleichen. Ferner sind Mittel vorgegeben, die den zum Ausgleich der Spannung auf die Spannung des Referenzsignales notwendigen Betrag der Verstellung der am Probemedium abfallenden Spannung erfassen und anzeigen.

Diese Einrichtung kann mit besonderem Vorteil zum Nachweis des Wachstums eines oder mehrerer Mikro-Organismen in einem Wachstumsmedium eingesetzt werden. Das Probenmedium enthält ein vermutlich metabolisches Agens, wie z. B. einen mikroorganischen Versuchungsstoff. Die Einstellmittel verändern die an dem Probemedium abfallende Spannung, die sich in Abhängigkeit vom Wachstum des oder der Mikro-Organismen in dem Medium ändert, so daß der Spannungsabfall an der Probe der im wesentlichen konstant bleibenden Bezugsspannung angenähert oder mit dieser abgeglichen wird. Steuermittel setzen den Betrag der Nachstellung des Spannungsabfalls an Probe in Beziehung mit der metabolischen Aktivität bzw. Stoffwechselaktivität in dieser Probe.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung, die das Wachstum von Mikro-Organismen in einem Medium feststellt, ist ein elektrischer Stromkreis mit einer veränderlichen Stromquelle vorgesehen, dessen Änderungen ausreichen, den Spannungsabfall am Probemedium eng an die Referenzspannung anzunähern. Die Verwendung einer binären Eingangsinformation von einem Iterationsregister sorgt in Verbindung mit der veränderlichen Stromquelle für den zur engen Annäherung der Referenzspannung notwendigen Spannungsabfall an der Probe. Es ist vorzugsweise auch vorgesehen, eine Mehrzahl von Proben in Reihenfolge oder in Zufallsfolge zu untersuchen, um zu bestimmen, ob in einer der Proben eine metabolische Aktivität auftritt. Im elektrischen Stromkreis ist auch ein programmierter Rechner vorgesehen, um anzuzeigen, wenn zwischen anderen wichtigen Teilangaben bzw. Daten in irgendeiner der Proben ein mikroorganisches Wachstum aufgetreten ist.

Bei der Erfindung wird ein elektrisches Bezugssignal erzeugt, welches der Oszillatorspannung proportional ist. Die Messung der an dem Medium abfallenden Spannung und der Vergleich dieser Spannung mit der Referenzspannung werden dann nacheinander ausgeführt. In diesem Zusammenhang umfaßt die Erfindung auch den Abgleich der an der Probe abfallenden Spannung, die sich in Abhängigkeit von der metabolischen Aktivität in diesem Medium ändert, mit der im wesentlichen konstant bleibenden Referenzspannung. Die Überwachung der Ein- oder Nachstellung der an der Probe auftretenden Spannung zur Herstellung einer Beziehung dieser Einstellung mit der Feststellung metabolischer Aktivität ist schließlich der letzte Schritt des Verfahrens.

Zusammenfassend ist also festzustellen, daß mit der Erfindung ein Verfahren und eine Einrichtung zur Feststellung metabolischer Aktivitäten in einem Medium geschaffen werden, bei dem ein elektrischer Kreis vorgesehen ist, um elektrischen Strom durch ein Medium zu schicken, welches ein vermutetes metabolisches Agens enthält. Der Stromkreis enthält Mittel zur Erzeugung einer Bezugsspannung. Beim Auftreten einer metabolischen Aktivität in dem Medium ändert sich die an dem Medium auftretende Spannung. Um die an dem Medium auftretende Spannungsänderung auf die Bezugsspannung abzugleichen, wird eine Stromregelung vorgenommen. Durch eine auf elektrischem Wege automatisch ausgeführte Überwachung des Abgleiches wird eine Beziehung zwischen der vorgenommenen Regelung oder Steuerung und der metabolischen Aktivität in dem Medium hergestellt.

Der Einsatz der erfindungsgemäßen Einrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens gestattet die Untersuchung großer Mengen von Probemedien zur schnellen, genauen und zuverlässigen Feststellung einer metabolischen Aktivität.

Wesentliche Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß die damit erzielten Verbesserungen einen automatischen Arbeitsablauf ermöglichen, so daß schnelle, genaue und gut reproduzierbare Ergebnisse erzielt werden. Neben der damit erreichten Genauigkeit und Zeitersparnis zeichnet sich die Erfindung insbesondere auch dadurch aus, daß sie eine kontinuierliche Überwachung einer sehr großen Anzahl von Untersuchungsproben gestattet. Dieser Vorteil, eine derartige Menge von Proben zu behandeln, wird erreicht, ohne daß die Genauigkeit der den einzelnen Testproben zugeführten elektrischen Energie beeinträchtigt wird, wie das bei bekannten Einrichtungen der Fall ist. In anderen Worten bedeutet dies, daß die einer einzelnen Probe der Probenanordnung zugeführte elektrische Energie gleichmäßig ist und mit der den anderen Proben zugeführten Energie übereinstimmt, wobei ein nachteiliger Einfluß der elektrischen Leitungslänge und der Übertragungsbelastung ausgeschaltet wird. Ferner sind die Einrichtungen und die Schaltung, mit welcher ein Einfluß der Übertragungsverluste ausgeschlossen wird, verhältnismäßig preisgünstig aufgebaut.

Ein wesentlicher Vorteil eines Systems, in welchem eine sehr große Anzahl von Proben gleichzeitig untersucht werden kann, ist die wirtschaftliche Arbeitsweise durch Verringerung wirkungsloser Zeiten und die periodische Änderung zu untersuchender Muster. Ferner wird mit der Erfindung eine verbesserte Steuerung erreicht, da beispielsweise Änderungen äußerer Einflußgrößen wie Feuchtigkeit, Temperatur etc., welche eine erhebliche Rolle spielen können, wenn Proben einer gegebenen Größe in getrennten Versuchen untersucht werden, in dem erfindungsgemäßen System außer Betracht bleiben können, in dem die gesamte Gruppe in einem umfassenden Versuch erfaßt werden kann. Da die Belastungseinflüsse der elektrischen Leitungen bei der Erfindung eliminiert sind, ist es auch nicht mehr erforderlich, sämtliche Versuchsproben zusammenzudrängen, sofern genügend Raum für eine verteilte Anordnung vorhanden ist.

Neben diesen Vorteilen ermöglicht die vorliegende Erfindung auch den Anschluß eines Rechners, so daß verschiedene Ergebnisse während und nach der Untersuchung überwacht und viele Teilinformationen über die Proben gesammelt werden können.

Die Bedeutung der erfindungsgemäßen Vorteile zeigt sich auch daran, daß ein erheblicher Bedarf für ein zuverlässiges System zur Untersuchung metabolischer Aktivität, beispielsweise des Wachstums von Mikro-Organismen besteht. Systeme, die es gestatten, eine große Anzahl Blutproben, Urinproben und entsprechende klinische Kulturen zu untersuchen, müssen in sehr kurzen Zeitspannen Ergebnisse liefern. Eine schnelle Untersuchung unterstützt die medizinische Diagnose eines Problems und kann zu einer sogar lebensrettenden Behandlung führen, die möglichst schnell eingeleitet werden muß. Außer einer Anwendung in Kliniken oder Krankenhäusern können erfindungsgemäße Geräte mit Vorteil beispielsweise auch in der Nahrungsmittelindustrie zur Durchführung von Untersuchungen zur Gewährleistung der Qualität und Gesundheits- Unschädlichkeit von Produkten eingesetzt werden, die mit einem Aufdruck bzw. Prüfsiegel für den Verbrauchermarkt versehen werden.

In der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 Ein Blockschaltbild zur schematischen Veranschaulichung einer erfindungsgemäßen Einrichtung,

Fig. 2 eine Darstellung einer Flasche zur Untersuchung eines Probenmediums,

Fig. 3 ein Flußdiagramm des Ablaufs einer Messung mit der erfindungsgemäßen Einrichtung,

Fig. 4 ein schematisches Schaltbild zur Veranschaulichung einer in der Blockschaltung nach Fig. 1 und dem Flußdiagramm nach Fig. 3 verwendeten speziellen Schaltung,

Fig. 5 ein Blockschaltbild für eine Ausführungsform eines speziellen Schaltkreises für verschiedene Schaltungsteile in Fig. 1 und 4.

Das Blockschaltbild in Fig. 1 zeigt die Grundelemente einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Erfassung eines Spannungsabfalls an einem Medium. Diese Grundschaltung weist im wesentlichen einen Stromkreis 10 auf, in welchem eine elektrische Wechselstromquelle 11, beispielsweise ein Oszillator, einen Strom an eine ausgewählte Zelle 12 abgibt und dadurch eine Spannung an einer Zelle erzeugt.

Eine Zelle 12 wird durch einen Analog-Multiplexer 13 ausgewählt, welcher einen Steuerstrom-Multiplexer 13 A und einen Spannungsrückkopplungs- Multiplexer 13 B aufweist. Die mit R bezeichnete Zelle 12 ist eine Referenzzelle, während es sich bei den mit S₁-S _N bezeichneten Zellen um Probenzellen handelt.

Die ausgewählte Probenzelle S₁-S _N kann ein Behälter für ein Medium sein, in welchem Mikro-Organismen wachsen können. Es ist allgemein vorgesehen, eine metabolische Aktivität zu überwachen und nachzuweisen. Zu diesen Aktivitäten gehören u. a. tierisches oder pflanzliches Zellenwachstum, die Überwachung von Protozonen (Einzeller), Metazonen (Vielzeller) und dergleichen, sowie die Überwachung von Suspensionen zellularer Enzyme. Der Strom wird den Zellen 12 über ein Elektrodenpaar zugeführt, welches einen galvanischen Kontakt in dem Medium herstellt. In die Zelle oder das Probenmedium 12 wird gewöhnlich vor Beginn des Versuches ein vermutlich metabolisches Agens, beispielsweise ein mikroorganischer Kontaminationsstoff gegeben, der zu untersuchen ist, um festzustellen, ob tatsächlich Mikro-Organismen vorhanden sind, und um möglicherweise u. a. deren Identität, Konzentrationsgrade und antibiotische Empfindlichkeit zu bestimmen.

Ein praktischer Träger zur Durchführung derartiger Versuche ist beispielsweise eine bekannte Blutflasche zur Überwachung niedriger Konzentrationen von Organismen, wie sie beispielsweise in Fig. 2 dargestellt ist. Ein Modul kann eingeführt werden, um große Konzentrationen von Organismen zu überwachen, wo ein kleines Medienvolumen ausreicht. Das Probenmedium 12, eine ausgewählte Flüssigkeit, befindet sich in einer Flasche 14, so daß die Elektroden 15 in die Flüssigkeit eintauchen. Um den elektrischen Strom im Medium aufzunehmen, liegen die Elektroden 15 zum Anschluß an die Quelle 11 in dem elektrischen Kreis 10. Eine derartige Flasche ist gewöhnlich zugestöpselt, hat jedoch eine kleine Öffnung oder kann durchstochen werden, so daß vermutlicher Verseuchungsstoff in das in der Flasche befindliche Medium eingeführt werden kann. In den elektrischen Kreis 10 können viele Flaschen mit Probenzellen S₁-S _N oder andere Medienträger über den Multiplexer 13 verbunden werden, so daß eine große Anzahl von Proben untersucht werden kann. Ferner kann eine Flasche, die Flüssigkeit ohne irgendwelche eingeführten Stoffe enthält, als das mit R bezeichnete Referenzmedium verwendet werden. Das Referenzmedium R kann in den Stromkreis eingefügt und mit jedem gegebenen Probenmedius S₁-S _N verglichen werden, um mit Ausnahme des Wachstums eines Mikro-Organismus sämtliche zu Spannungsänderungen der Medien führenden variablen Einflußgrößen zu eliminieren. Ferner kann für Versuchszwecke eine Probe aus mehr als einer Flasche oder beispielsweise einer richtig verdrahteten Reihe bestehen, um die Aktivität in einer Zellenmehrzahl eines Prüfmusters anzuzeigen.

Der erfindungsgemäß mögliche Vergleich eines Referenzmediums mit einer Vielzahl von Proben kann besonders einfach mit einem Rechner ausgeführt werden.

In dem Schaltkreis 10 ist ein zwischengeschalteter programmierbarer Steuerstromtreiber 24 vorgesehen. Der Stromtreiber 24 empfängt Strom vom Oszillator 11, während sein Stromausgang an eine ausgewählte Zelle durch eine von einem digitalen Steuerteil 25 empfangene Information gesteuert wird. Der Stromtreiber 24 ist also eine programmierbare oder veränderbare Stromquelle, die so gesteuert wird, daß sie zu einer beliebig ausgewählten Probe einen Strom liefert, dessen unterschiedliche Höhe von den jeweils vom digitalen Steuerteil 25 aufgenommenen Eingangsdaten abhängt.

Das digitale Steuerteil 25 steuert also den programmierbaren Stromtreiber 24, der ein Vervielfacher für den von der Wechselstromquelle 11 kommenden Strom ist und daher die Höhe des über den Multiplexer 13 zu einer ausgewählten Zelle fließenden Stromes festlegt. Der Steuerstromtreiber 24 enthält ein R-2A4Kettennetzewerk, welches eine Vielzahl von Widerständen aufweist, die wahlweise an die Quelle 11 angekoppelt sind, und zwar in einer durch digitale 16-Bit-Steuerworte des Schaltungsteiles 25 bestimmten Weise. Die Festlegung der richtigen vom Steuerteil 25 erzeugten Binärinformation zur Steuerung des Stromtreibers 24 für die Stromabgabe abgabe an die Probe wird nun mit Bezug auf Fig. 3 in Verbindung mit Fig. 1 erläutert.

Nach dem vereinfachten Flußdiagramm für den Meß- und Steuerungs-Ablauf ist der Anfangsschritt die Herstellung einer elektrischen Verbindung der ausgewählten Probe 12 über den Multiplexer 13 mit dem programmierbaren Stromtreiber 24. An dieser Stelle wird in dem digitalen Steuerteil 25 ein aufeinanderfolgender 16-Bit-Näherungsprozeß eingeleitet, welcher schließlich festlegt, wieviel Strom der Probe 12 zugeführt werden muß, um daran einen für einen Angleich, ausgehend von dem festen Bezugsausgang der Wechselstromquelle 11, ausreichenden Spannungsabfall zu erzeugen. Im ersten Schritt dieses aufeinanderfolgenden Näherungsprozesses sendet das digitale Steuerteil 25 ein Signal an den programmierbaren Stromtreiber 24, welches diesen veranlaßt, einen Strom an die Probe 12 zu liefern, welcher dem Wert des höchstwertigen Bit (MSB) der aufeinanderfolgenden 16 Bit des Näherungswortes entspricht.

Mit diesem zur Probe 12 gelieferten Strom ergibt sich ein bestimmter Spannungsabfall an dieser Probe. Durch den Schaltungsaufbau, wie er unten in Verbindung mit Fig. 4 noch näher erläutert wird, werden die Widerstandskomponente (E _R ) und die Blindkomponente (E _X ) des Spannungsabfalls an der Probe gemessen. Die ohmsche Komponente der Spannung ist mit dem elektrischen Widerstand des Probenmediums während des Stromdurchflusses verknüpft, während die Blindkomponente der Spannung mit den kapazitiven und den induktiven Werten des Probenmediums in Beziehung steht. Da jedoch die Induktivität bei der Messung biologisch- elektrischer Kenngrößen keine nennenswerte Rolle spielt, wird angenommen, daß die Blindkomponente allein auf kapazitive Einflußgrößen zurückzuführen ist.

Es wird nun der Spannungsmittelwert der Wirk- und Blindkomponenten berechnet, und das Ergebnis wird mit der festen Referenzspannung der Wechselstromquelle 11 verglichen. Zwar wird bei den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Einrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens diese mittlere Spannung verwendet, um einen im folgenden erläuterten Vergleich mit einer festliegenden Referenzspannung durchzuführen, jedoch sind auch andere Annäherungen bzw. Lösungswege verwendbar. Beispielsweise können entweder die Widerstands- oder die Blindkomponenten jeweils unabhängig mit einer Referenzspannung verglichen werden, oder es kann eine aus Widerstands- und Blindkomponenten zusammengesetzte impedanzähnliche komplexe Größe verwendet werden. Wie auch immer, muß beim Aufbau der Schaltung mit einer Phasenverschiebung gerechnet werden. Es hat sich gezeigt, daß die Verwendung der aus Widerstands- und Blindkomponente gemittelten Spannung zur Ausführung der erfindungsgemäßen Vergleichsschritte völlig zufriedenstellende Ergebnisse liefert.

Bevor die Beschreibung des Flußdiagramms in Fig. 3 fortgesetzt wird, ist in Verbindung mit der Blockschaltung in Fig. 1 zu beachten, daß das von der Probe kommende Signal nach Verstärkung und Filterung in die Widerstandskomponente E _R und die Blindkomponente E _X zerlegt wird. Ein gleichphasiges Filter 16 und ein Quadraturfilter 18 enthalten Schaltvorrichtungen zur Trennung der Widerstands- bzw. Blindkomponenten, welche dann einem Netzwerk 19 zur Mittelwertbildung zugeführt werden. Das Filter 16 trennt also die Spannungskomponente ab, die mit dem Strom in Phase ist und durch E _R dargestellt wird, während das Quadraturfilter 10 die gegenüber dem Strom um 90° phasenverschobene und durch E _X dargestellte Komponente abtrennt. Mit dem Netztwerk 19 werden zu jedem gegebenen Zeitpunkt während des Versuches die Werte der Widerstands- und der Blindkomponenten der Probenspannung gemittelt. Ein Spannungsverstärker 20 ist in dem Schaltkreis 10 vorgesehen, um das Signal zu verstärken, bevor es die Filter 16 und 18 erreicht, die einen höheren Spannungsbetrag benötigen, um eine optimale Genauigkeit in dem unten in Verbindung mit Fig. 4 ausführlich beschriebenen Schaltkreis zu erreichen.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, erzeugt die Wechselstromquelle 11, der Oszillator, auch ein Referenz-Ausgangssignal. dieses Signal besitzt einen im wesentlichen konstanten Spannungspegel und ist der Oszillatorspannung proportional. die Referenzspannung und die mittlere Spannung der Spannungskomponenten werden einer Abgleichdetektorschaltung 21 zugeführt, die einen Vergleicher und ein Tiefpassfilter enthält. Die Funktion des Vergleichers 21 wird am besten durch das Flußdiagramm in Fig. 3 veranschaulicht. Nachdem die Mittelwertspannung (E _R + E _X )/2 errechnet ist, wird sie mit der vom Oszillator erzeugten festen Referenzspannung (E _REF ) verglichen. Durch eine digitale Schaltung wird die Mittelwertspannung mit der Referenzspannung verglichen, um festzustellen, ob die Mittelwertspannung größer ist als die Referenzspannung. Wenn die Mittelwertspannung die Referenzspannung übersteigt, wird das höchstwertige Bit (MSB) der sukzessiven Näherungsschaltung 25 A zurückgesetzt, wodurch das MSB-Inkrement des Stromes vom Stromtreiber 24 weggenommen wird, da das MSB-Inkrement zu groß ist und nur Zifferninkremente geringerer Wertigkeit benötigt werden, um einen Abgleich zu erreichen. Wenn andererseits die Mittelwertspannung die Referenzspannung nicht übersteigt, wird das höchstwertige Bit (MSB) festgehalten, da diese Stromstufe bzw. dieser Stromwert benötigt wird, um einen Abgleich zu erreichen.

An dieser Stelle sendet der digitale Steuerteil 25 ein Signal an die programmierbare Stromquelle 24, welches bewirkt, daß der Bit-Wert mit der zweithöchsten Wertigkeit (eine Hälfte der Wertigkeit des MSB) des Stromes zum Strom addiert wird, sofern ein Strom in der Probe 12 fließt. Die sich ergebenden neuen Werte von E _R und E _X werden dann gemessen und (E _R + E _X )/2 wird in der gleichen Weise, wie vorstehend beschrieben, mit E _REF verglichen, um festzustellen, ob das Inkrement bzw. die Zunahme des Stromes zu groß oder zu klein ist, um einen Abgleich zu erreichen. Dieser Zyklus geht weiter bis sämtliche 16 Bits in der durch den digitalen Steuerteil 25 festgelegten Weise geprüft sind.

Wenn sämtliche Bits geprüft sind, liefert der Stromtreiber 24 einen Strom ausreichender Größe zu der ausgewählten Probe, so daß die vorstehend definierte mittlere Spannung an der Probe entweder auf die von der Wechselstromquelle erzeugte Spannung abgeglichen oder dieser eng angenähert ist. Dieser gesamte Näherungsprozeß wird in der elektrischen Schaltung automatisch ausgeführt und kann in etwa 2 Sekunden oder weniger abgeschlossen werden. Nachdem ein Näherungsprozeß für eine Probe durchgeführt ist, wählt der Multiplexer 13 eine andere Probenzelle 12 für einen weiteren, dem schon beschriebenen ähnlichen Annäherungsprozeß aus.

Es ist seit einiger Zeit bekannt, daß die elektrischen Kenngrößen, wie z. B. Widerstand und Blindwiderstand bzw. Reaktanz eines Mediums sich durch das Wachstum darin enthaltender Mikrobiologischer Organismen merklich ändern. Beispielsweise neigen ionisierte Ausscheidungs- oder Abfallprodukte von Mikro-Organismen dazu, die elektrische Impedanz des Mediums zu ändern, in welches sie eingeladen werden. Diese Änderung der elektrischen Impedanz erzeugt eine Spannungsänderung, wenn der Strom bei Tests konstant ist, in denen das Medium in einem Stromkreis mit einer Versorgungsquelle angeordnet ist. Im allgemeinen verursacht das Wachstum von Mikro-Organismen in einem Medium ein Absinken des Spannungsabfalls an dem Medium. Diese Änderungen werden deutlicher ausgeprägt, wenn die metabolische Aktivität und die Konzentrationsgrade von Mikro-Organismen in dem Medium ansteigen.

Wenn bei der vorliegenden Erfindung ein Medium einen mikroorganischen Kontaminationsstoff enthält, ändern sich die elektrischen Kennwerte des Mediums, wenn sich die Zahl der Mikro-Organismen erhöht. Wenn der elektrische Strom auf einem konstanten Wert gehalten wird, würde sich die Spannung an der Probe ändern und zwar höchstwahrscheinlich abnehmen. Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung soll jedoch der Spannungsabfall an der Probe der festen Referenzspannung so eng wie möglich angeglichen werden. Wenn also Mikro- Organismen in der Probe zu wachsen beginnen, wird der Spannungsabfall an der Probe regelmäßig nachgestellt, um ihn ständig eng an die Referenzspannung anzunähern. Diese Nachstellung wird in der Weise ausgeführt, daß der Probe mehr oder weniger elektrischer Strom zugeführt wird, wie oben erläutert wurde. Die Größe des erforderlichen Stromes, um diese Nachstellung der Spannung auszuführen und auf einen Bezugswert abzugleichen, bildet das Ausgangssignal des in Fig. 1 und 3 gezeigten Schaltkreises 10.

Das digitale Steuerteil weist eine Logikschaltung 25 A zur sukzessiven Annäherung und Zeitsteuerung auf, deren digitales Ausgangssignal das 16-Bit-Wort zur Steuerung des Stromtreibers 24 ist. Das digitale Steuerteil enthält ferner einen digitalen Multiplexer 25 B, eine Serien- Kopplungselektronik 25 C, eine Adressenlogik 25 D und einen Befehlsdekoder 25 E. Immer wenn für eine ausgewählte Probe ein vollständiger Durchlauf durch 16 Bits stattfindet, wird der Ausgang der Logik 25 A überwacht. Dieser Ausgang ist über den digitalen Multiplexer 25 B und das Serien-Interface 25 C an einen Rechner 26 angeschlossen, der wahlweise einen Anschluß 27 für eine Kathodenstrahlröhre (CRT) oder einen Drucker-Anschluß 28 steuert. Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann der Ausgang des Interface 25 C auch unmittelbar an einen hier nicht dargestellten Blattschreiber gelegt werden, der eine Quelle der gesammelten, sich auf das Wachstum von Mikro-Organismen in einem Medium beziehenden Daten wird und ein Bezugspunkt ist, der verwendet wird, um schnell zu bestimmen, daß eine metabolische Aktivität auftritt.

Mit der erwünschten Verringerung in der Zeit zur Durchführung der auf die Anwesenheit von Mikro-Organismen bezogenen Bestimmungen ist bevorzugt, den Rechner 26 mit dem Ausgang des Schaltkreises 25 zu koppeln, um eine mehrfache Anzahl von Arbeiten auszuführen. Einige der möglichen Funktionen, die in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung in den Rechner programmiert werden können, sind beispielsweise eine Korrelation von Daten mit verschiedenen Probenzahlen bei der Untersuchung vieler Proben, eine konstante Überwachung der Bausteine und Bauelemente sowie eine Überprüfung kritischer Bauelemente und veränderlicher, bei welchen die Untersuchungen vorgenommen werden, eine auswählende oder zufällige Überwachung auf Abruf zusätzlich zu der normalen aufeinanderfolgenden Überwachung, eine Fehlererfassung oder Anzeige von Fehlablesungen, eine Nichtberücksichtigung von Proben, die von einer Norm oder den erwarteten Ergebnissen abweichen, ferner mögliche Detektionsalgorithmen, d. h. Rechenverfahren zur Feststellung, ob es ein Wachstum, eine Zeit zur Erreichung einer Schwelle des Konzentrationsgrades und möglicherweise eine Spezifizierung oder Aufzählung pro Einheitsvolumen des Mikro-Organismus gibt, eine mögliche Identifizierung der Art oder Arten vorhandener Mikro-Organismen oder die prozentuale Wahrscheinlichkeit verschiedener Arten oder Sorten vorhandener Mikro-Organismen, die eine Empfindlichkeit gegen Antimetabolite bzw. Antistoffwechselprodukte und dergl. zeigen. Der Rechner 26 kann auch an einen in das System eingebauten Schaltkreis angeschlossen sein, um die Zuverlässigkeit und richtige Funktion wahlweise während jedes Zyklus oder in bestimmten Abständen zu Überprüfen. Die Interface- oder Kopplungselektronik kann je nach der gewünschten Leistungsfähigkeit des Rechners in an sich bekannter Weise aufgebaut werden.

Die Adressenlogik 25 D dient zur Lieferung einer Adressenfunktion zum Multiplexer 13, um eine der Proben einzuschalten. Diese Adresseninformation wird auch dem Multiplexer 25 B zugeführt, wo sie mit der von der Logik 25 A kommenden digitalen Information zu einer Multiplex-Information kombiniert wird, um den Rechner zu informieren, für welche Probe die Digitalinformation bestimmt ist. Der Befehlsdekoder 25 E der Zentraleinheit (CPU) dient zur Dekodierung der über die Kopplungselektronik 25 C vom Rechner 26 kommenden Befehle, um beispielsweise das Folge-Näherungsverfahren über die Logik 25 A einzuleiten und über die Logik 25 D eine Adresseninformation zu erzeugen.

Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Fähigkeit, eine große Anzahl von Proben während einer Untersuchung zu behandeln. Wie bereits kurz erläutert wurde, siehe Fig. 3, wird nach der Prüfung sämtlicher Bits des 16-Bit- Steuerworts der Ausgang des digitalen Steuerteiles 25 überwacht, und die nächste Probe wird automatisch an den Stromtreiber 24 angeschlossen. Diese automatische Anschließung wird mit Hilfe der Adressenlogik 25 D und der Multiplex-Schalter 13 ausgeführt, die es gestatten, jede Probe nacheinander zu untersuchen, bis die gesamte Gruppe behandelt ist, worauf sich der Prozeß der Untersuchung jeder Probe selbst wiederholt. Somit wird also mit der Erfindung durch die besondere Art des Vergleiches und Abgleiches in Verbindung mit der Leistungsfähigkeit der Multiplexerschaltung eine richtige und genaue Erfassung der Spannung an einer großen Anzahl von Proben gewährleistet, sowie eine empfindliche und genaue Überwachung dieser Spannungswerte, um das Wachstum von Mikro-Organismen in einem Probenmedium anzuzeigen.

Ein Gebiet, auf welchem große Mengen von Medienproben zu untersuchen sind, ist die labormäßige Untersuchung von Blut bzw. Blutproben. Ein System, in welchem über 100 Proben in Flaschen ähnlich der in Fig. 2 gezeigten Ausführung oder bekannten Modulen während eines Tests überwacht werden können, läßt sich unter Verwendung der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Einrichtung und Verfahren leicht aufbauen. Ein solches System kann durch entsprechende Wahl des Aufbaus für verschiedenartige Medienträger angepaßt werden, beispielsweise für Flaschen, für abgedichtete Meßzellen, für Module, die eine vereinheitlichte Anordnung von Kammern für Medien aufweisen, und dergleichen. Ferner kann die erfindungsgemäße Einrichtung zur Steuerung der Temperatur und anderer Umgebungsbedingungen und zur Erzielung einer schnelleren Bestimmung der Anwesenheit eines Mikro-Organismus in dem Medium einen oder mehrere Brutkästen enthalten. Eine dadurch mögliche gleichmäßige Erwärmung des Mediums beschleunigt die metabolische Aktivität der Mikro-Organismen und bietet somit den Vorteil einer sehr viel früheren Feststellung.

Der Aufbau der Schaltungsteile zur Ausführung der in Verbindung mit Fig. 1 in Fig. 3 veranschaulichten Funktionen sind an sich unkritisch. Fig. 4 und 5 zeigen schematische Blockdarstellungen bevorzugter Schaltungsbeispiele der erfindungsgemäßen Einrichtung, welche den Anforderungen der Erfindung voll genügen.

Nach Fig. 4 ist die Wechselstromquelle 11 ein Quadratur- Oszillator mit 90° Phasenverschiebung, der zwei Operationsverstärker 30 und 32 aufweist, wobei der Ausgang des erstgenannten mit dem Eingang des letztgenannten gekoppelt ist. Verschiedene Widerstände R′ und Kondensatoren C′ sind als frequenzbestimmte Elemente vorgesehen, die den Oszillator befähigen, bei einer vorbestimmten festen Frequenz zu schwingen. Der Oszillator 11 erzeugt ein sinusförmiges Ausgangssignal, welches auf Leitungen 34 und 36 dem programmierbaren Stromtreiber 24 und den Filtern 16, 18 zugeführt wird. Ein weiteres, gegenüber den Signalen auf den Leitungen 34 und 36 um 90° phasenverschobenes Ausgangssignal des Oszillators 11 gelangt auf einer Leitung 38 zu den Filtern 16, 18.

Der programmierbare Stromtreiber 24 enthält ein Widerstands- Kettennetzwerk 40 mit Widerständen R₁-R₃₂, die gemäß Zeichnung verbunden sind. Das sinusförmige Ausgangssignal auf der Leitung 34 kann durch Erregung von acht Relaisspulen K₁-K₈, welche Schalter SW₁-SW₈ steuern, an die ungeradzahligen Widerstände R₁-R₁₅ gelegt werden.

Wie in Fig. 4 gezeigt ist, sind die Schalter SW₁-SW₈ in ihren unteren Schaltzustand über eine Leitung 42 mit Erde verbunden. In dieser Stellung der Schalter SW₁-SW₈ ist der Ausgang auf der Leitung 34 an keinen der ungeradzahligen Widerstände R₁-R₁₅ angeschlossen. Wenn jedoch eines der Relais, beispielsweise K₃ erregt wird, ändert der Schalter SW₃ seine Stellung, um das Signal auf der Leitung 34 über diesen Schalter zum Widerstand R₅ und die Widerstände R₄ und R₂ zu einer Ausgangsleitung 44 des Kettennetzwerkes 46 durchzuschalten. Es ist zu erkennen, daß bei Erregung irgendeiner der Relaisspulen K₁-K₈ der jeweils zugehörigen Schalter SW₁-SW₈ seine Stellung wechselt, um das Signal auf der Leitung 34 über einen der entsprechenden ungeradzahligen Widerstände R₁-R₁₅ und schließlich auf die Ausgangsleitung 44 durchzuschalten.

Der Stromtreiber 24 besitzt auch vier integrierte Schaltkreise 46, 48, 50 und 52 zur Ankopplung des Signales auf der Leitung 34 an die ungeradzahligen Widerstände R₁₇-R₃₁ des Kettennetzwerkes 40. Diese integrierten Kreise enthalten jeweils Festkörperschaltvorrichtungen, beispielsweise MOSFET's. So enthalten die Schaltung 46 Feld-Effekt-Transistorschalter (FET's) 46 a, 46 b und 46 c, die Schaltung 48 FET's, 48 a, 48 b und 48 c, die Schaltung 50 FET's, 50 a, 50 b und 56 c und die Schaltung 52 FET's 52 a, 52 b und 52 c. Acht Leitungen 54, 56, 58, 60, 62, 64, 66 und 68 sind wie dargestellt an die Steuereingänge für diese FET's angeschlossen, so daß der entsprechende FET seinen Zustand ändert, wenn ein Signal auf einer dieser Leitungen an den entsprechenden Steuereingang gelegt wird.

In Fig. 4 sind die FET's der Schaltungen 46, 48, 50 und 52 in ihrem "low"-Zustand dargestellt und über die Leitung 42 mit Erde verbunden. Wenn beispielsweise ein Steuersignal auf die Leitung 54 gegeben wird, werden die FET's 46 a, 46 b, 46 c und 48 a in ihren "high"-Zustand umgeschaltet, d. h., daß die dargestellten Kontakte dieser Transistoren über die Leitung 34 eine Verbindung zur Wechselstromquelle 11 herstellen. In diesem Zustand wird das Signal auf der Leitung 34 über die entsprechenden FET's 46 a-46 c, die eine Leitung 70 mit einer Leitung 72 verbinden, zum Widerstand R₁₇ und über die geradzahligen Widerstände R₁₆-R₂ zur Leitung 44 durchgeschaltet. In ähnlicher Weise schaltet der FET 48 a das Signal von der Leitung 34 über die Leitungen 70 und 72 zum Widerstand R₁₇ durch. Wenn bei einem weiteren Beispiel ein Steuersignal auf die Leitung 64 gegeben wird, wird der FET 52 a geschaltet, um das Signal von der Leitung 34 auf die Leitung 70 und über eine Leitung 74 zum Widerstand R₂₇ durchzuschalten. Nach den vorstehenden Erläuterungen ist leicht zu erkennen, daß bei Zuführung eines Steuersignales zu einem der Steuereingänge die entsprechenden FET's das Signal von der Leitung 34 über die Leitung 70 jeweils zu den verschiedenen umgeradzahligen Widerständen R₁₇-R₃₁ des Netzwerkes 40 durchschalten. Die Größe des Stroms in der Leitung 44 hängt also davon ab, welche der Schalter SW₁-SW₈ und der FET's jeweils in ihrem "high"- oder "low"-Zustand sind. Die Art und Weise, in der ein Steuersignal an eine der Leitungen 54, 56, 58, 60, 62, 64, 66 oder 68 gegeben wird, oder in welcher eine der Relaisspulen K₁-K₈ erregt wird, wird durch das digtale Steuerteil 25 gesteuert, das in Verbindung mit Fig. 5 noch beschrieben wird.

Das Stromsignal auf der Leitung 44 wird einem Operationsverstärker 76 zugeführt, dessen invertierender Eingang faktisch an Erde gehalten ist, während der Strom auf der Leitung 44 über die Leitung 78, den Multiplexer 13 und die Leitung 80 durch eine Probe 12 fließt. Die beiden zwischen den Leitungen 78 und 80 an den Verstärker 76 gekoppelten Widerstände R₃₃ bilden zusammen mit dem Kondensator C einen Gleichstrom-Rückkopplungspfad mit einer sehr hohen Impedanz gegenüber dem Wechselstromanteil des Signals auf der Leitung 78, so daß nur das Wechselstromsignal dem Multiplexer und den Probezellen 12, 13 zugeführt wird.

Die an einer der in Multiplexschaltung angesteuerten Zellen aufgrund der Stromsignale auf der Leitung 78 erzeugte Spannung ist dann über die Leitungen 82 zum Spannungsverstärker 20 rückgekoppelt, dessen Bauart an sich bekannt ist. Die verstärkte Spannung wird dann vom Verstärker 20 über eine Leitung 84 an die Filter 16, 18 gelegt. Das Signal auf der Leitung 84 wird über eine Leitung 86 einem Eingang eines Phaseninverters 88 zugeführt, von dessen Ausgang eine Leitung 90 abgeht. Die Signale auf den Leitungen 84 und 90 werden einem Schalt-Netzwerk 92 zugeführt, welches die Signale E _R , E _X und die von der Quelle 11 kommende Bezugsspannung erzeugt.

Weitere dem Schalt-Netzwerk 92 zugeführte Signale sind das Ausgangssignal eines Phaseninverters 94, an dessen einen Eingang die Leitung 36 angeschlossen ist, ein über eine Leitung 96 von der Leitung 36 kommendes, nicht invertiertes Signal und das auf einer Leitung 100 erscheinende Ausgangssignal eines Vergleichers 98. Der Vergleicher 98 empfängt das sinusförmige Signal auf der Leitung 36 und formt dieses Signal in ein Rechteck-Ausgangssignal auf der Leitung 100 um. Der Vergleicher 98 arbeitet in üblicher Weise, um bei jedem Nulldurchgang des sinusförmigen Eingangssignal einen Rechteckwellen-Übergang zu erzeugen, wobei dieser Puls der Polarität des sinusförmigen Eingangssignals entspricht.

Das Schaltnetzwerk 92 empfängt auf einer Leitung 104 außerdem das Ausgangssignal eines weiteren Vergleichers 102, dessen Eingangssignal ein um 90° phasenverschobenes sinusförmiges Signal auf der Leitung 38 ist. Wie der Vergleicher 98 erzeugt auch der Vergleicher 102 ein Rechteck- Ausgangssignal, welches jedoch bezüglich der Rechteckwelle auf der Leitung 100 um 90° phasenverschoben ist.

Das Schaltnetzwerk 92 enthält drei Schalter 92 a, 92 b und 92 c, welche wiederum aus MOSFET's bestehen können. Das Schaltnetzwerk 92 weist auch eine mit dem Schalter 92 a verbundene Ausgangsleitung 106 für die Referenzspannung, eine mit dem Schalter 92 b verbundene Ausgangsleitung 108 für das Signal E _R und eine an den Schalter 92 c angeschlossene Ausgangsleitung 110 für das Signal E _X auf. Gemäß Fig. 4 wird eine Umschaltung des Schalters 92 a durch das Signal auf der Leitung 100 hervorgerufen, während die Schalter 92 B und 92 C ihren Schaltzustand in Abhängigkeit von den auf den Leitungen 100 bzw. 104 liegenden Signalen ändern.

Das Schaltnetzwerk 92 arbeitet wie folgt: Um dafür zu sorgen, daß die Referenzspannung auf der Ausgangsleitung 106 erscheint, wenn das Ausgangssignal auf der Leitung 100 entsprechend einer negativen Halbwelle des sinusförmigen Eingangssignals auf der Leitung 36 negativ ist, befinden sich die Kontakte des Schalters 92 a in der gezeigten Stellung. Demgemäß gelangt ein negatives sinusförmiges Ausgangssignal von der Leitung 96 über den Schalter 92 a zur Leitung 106. Bei der nächsten Halbwelle erscheint auf der Leitung 100 ein positives Signal welches den Schalter in eine solche Stellung umschaltet, daß der Ausgang des Phaseninverters 94 mit der Leitung 106 verbunden ist. Zu diesem Zeitpunkt des nächsten Halbzyklus wird die positive Periode der sinusförmigen Welle auf der Leitung 36 durch den Inverter 94 in der Phase umgekehrt, wodurch ein negativer Halbzyklus auf der Leitung 106 erzeugt wird. Beim nächsten negativen Halbzyklus des Eingangssignales des Vergleichers 98 wird der Schalter 92 a wieder in die in Fig. 4 gezeigte Stellung umgeschaltet, so daß ein weiterer negativer Halbzyklus als Ausgangssignal auf der Leitung 106 erscheint. Diese Umschaltung des Schalters 92 a wird mit jedem Halbzyklus des Eingangssignales auf der Leitung 36 kontinuierlich fortgesetzt, so daß das Ausgangssignal auf der Leitung 106 ein gleichgerichtetes negatives Signal ist, welches die Referenzspannung einschließt. Es wird darauf hingewiesen, daß die Referenzspannung in Fig. 1 als ein von der Quelle 11 kommendes Signal dargestellt ist, während sie in Fig. 4 auf der Leitung 106 als ein von den Filtern 16, 18 kommendes Ausgangssignal dargestellt ist.

Hierzu ist festzustellen, daß die erste Darstellung lediglich zur einfachen Erläuterung der Erfindung gewählt wurde, während Fig. 4 die tatsächliche Quelle des Referenzsignales zeigt.

Um das Signal auf der Leitung 108 zu erhalten, ändert der Schalter 92 b regelmäßig seinen Schaltzustand bei jedem Nulldurchgang des Signals auf der Leitung 36 in Abhängigkeit vom Steuersignal auf der Leitung 100. Bei der in Fig. 4 gezeigten Schaltstellung des Schalters 92 b gelangt das invertierte Signal auf der Leitung 90 über den Schalter 92 b zur Leitung 108. Beim nächsten Halbzyklus des Signales auf der Leitung 36 ändert der Schalter 92 b seine Schaltstellung, um das nichtinvertierte Signal auf der Leitung 84 an die Ausgangsleitung 108 zu legen. Die Umschaltung des Schalters 92 b erfolgt in Phase mit dem Signal auf der Leitung 36 und folglich auch mit dem Signal auf der Leitung 34, so daß die Teilspannung des Verstärkers 20, die in Phase mit dem Strom auf der Leitung 34 ist, abgetrennt wird. Diese Teilspannung ist die ohmsche oder Widerstands-Komponente E _R der zu untersuchenden Zelle.

Um das Signal auf der Leitung 110 zu erhalten, ändert der Schalter 92 c seinen Schaltzustand um 90° phasenverschoben regelmäßig bei jedem Nulldurchgang des Signals auf der Leitung 34 in Abhängigkeit von dem Signal auf der Leitung 104. Bei der in Fig. 4 gezeigten Schaltstellung des Schalters 92 c gelangt das nichtinvertierte Signal auf der Leitung 84 über den Schalter 92 c zur Leitung 110. Beim nächsten Halbzyklus des Signals auf der Leitung 38 ändert sich die Schaltstellung des Schalters 92 c, und das in der Phase umgekehrte Signal auf der Leitung 90 wird zur Ausgangsleitung 110 durchgeschaltet. Die Umschaltung des Schalters 92 c, die gegenüber dem Signal auf der Leitung 34 um 90° phasenverschoben ist, trennt die gegenüber dem Signal auf der Leitung 34 um 90° phasenverschobene Teilspannung des Verstärkers 20 ab. Demnach ist diese Spannungskomponente E _X auf der Leitung 110 der Spannungsabfall an der kapazitiven Komponente der untersuchten Zelle 12.

Die positiven Ausgangssignale auf den Leitungen 108 und 110 werden Widerständen R₃₄ und R₃₅ zugeführt, welche als mittelwertbildendes Netzwerk 19 arbeiten, während das gleichgerichtete negative Ausgangssignal auf der Leitung 106 einem Widerstand 36 zugeführt wird. Diese drei Widerstände R₃₄, R₃₅, R₃₆ sind an eine Summierleitung 112 angeschlossen, die den Abgleichdetektor 21 bildet. Das Signal auf der Leitung 114 wird zu Null, wenn der Mittelwert von E _R und E _X auf die Referenzspannung abgeglichen ist. Das Signal auf der Leitung 114 wird durch ein Tiefpaßfilter 116 gefiltert, dessen Ausgang einem Vergleicher 118 zugeführt ist. Wenn die Signale nicht im Gleichgewicht sind, erscheint ein Signal auf der Ausgangsleitung 120 des Vergleichers 118, welches dann dem digitalen Steuerteil 25 zugeführt wird, der dann eine Umschaltung eines der Schalter SW₁-SW₈ oder eines der FET's in den Schaltkreisen 46, 48, 50 oder 52 auslöst.

Für den Betrieb der Schaltungsanordnung nach Fig. 4 wird beispielsweise angenommen, daß das Ausgangssignal auf der Leitung 120 einen oben angegebenen Abgleichzustand, d. h. (E _X + E _R )/2 < E _REF anzeigt, und daß beim vorhergehenden Schritt der Schalter SW₁ geschlossen war, um das Ausgangssignal auf der Leitung 34 zur Leitung 44 durchzuschalten. Der digitale Steuerteil 25 erzeugt dann ein Signal, um das Relais K₂ über die +5 Volt-Speisespannung zu erregen und das Relais K₁ stromlos zu machen. Entsprechend kehrt der Schalter SW₁ in seine in Fig. 4 gezeigte Stellung zurück, und der Schalter SW₂ nimmt eine Stellung ein, in welcher das Signal auf der Leitung 34 über diesen Schalter, und dann über die Widerstände R₃ und R₂ zur Ausgangsleitung 44 durchgeschaltet wird. Der Strom in der Leitung 44, wie er durch das Kettennetzwerk 40 festgelegt ist, wird dann über die Leitung 78 einer ausgewählten Probenzelle zugeführt, um an dieser Zelle eine Spannung zu erzeugen. Diese Spannung wird dann über die Leitungen 82 rückgekoppelt, durch den Verstärker 20 verstärkt und dem Schaltnetzwerk 92 zugeführt, um die Signale E _R und E _X in der bereits erläuterten Weise zu erzeugen. Diese beiden Signale werden dann über die Widerstände R₃₅ und R₃₆ gemittelt und mit der Referenzspannung an der Leitung 36 verglichen. Wenn ein Abgleich noch nicht erreicht ist, d. h., wenn (E _x + E _R )/2 < E _REF , bewirkt das Signal auf der Leitung 120, daß das Relais K₂ erregt bleibt, und daß in jedem Fall der gleiche Vorgang für jeden der verbleibenden aufeinanderfolgenden Näherungsschritte der zu einer Entscheidung führenden Folge wiederholt wird.

Eine Zeitsteuerlogik 25 A weist gem. Fig. 5 ein sukzessives Annäherungs-Folgeregister 122 auf, welches zwei 8-Bit- Schieberegister 122 A und 122 B enthält. Das Register 122 wird am Anfang durch ein über eine Leitung 124 von einem durch ein Signal des Dekoders 25 E einschaltbaren Startsignalgenerator 126 eintreffendes Signal angeschaltet. Die Register 122 A und 122 B empfangen über eine Leitung 120 das vom Detektor 21 kommende Signal. Der Ausgang des sukzessiven Näherungsregisters 122 ist über vier Leitungen 128 an einen Steuersender bzw. Treiber 130 angeschlossen, wobei jeder der Leitungen 128 vier Bits darstellt. Ferner erzeugt das Schieberegister 122 B nach 16 Bits für eine ausgewählte getestete Zelle ein Ausgangssignal auf einer Leitung 132. Dieses Signal auf der Leitung 132 wird zwei Haltestufen 134 und 136 zugeführt, welche die Information nach der Prüfung dieser 16 Bit in dem sukzessiven Näherungsregister 122 verriegeln. Der Treiber 130 enthält eine Transistor- Logik (TTL) mit mehreren Transistoren, die bei Erregung jeweils einen Stromkreis über entsprechende Relais K₁-K₈ und die MOSFET's in den Schaltkreisen 46, 48, 50 und 52 schließen.

Der digitale Multiplexer 25 B enthält einen Multiplexer 138, welcher die Daten in den Halteschaltungen 134 und 136 über Leitungen 140 auswählt. Ein Zähler 142 zur Zählung der Ausgangssignale eines Oszillators 144 schaltet den Multiplexer 138 über Leitungen 146 an, um die gespeicherten Daten zu voreingestellten Zeiten auszuwählen.

Die Adressenlogik 25 D enthält einen Adressenzähler 148, der den Analog-Multiplexer 13 über eine Leitung 150 mit einer 7-Bit-Adresse zur Identifizierung irgendeiner von 128 Probenzellen versorgt. Die Adresse im Zähler 148 ist in einer Haltestufe 152 gespeichert und wird dann nach der Erzeugung des Signals auf der Leitung 132 um eins erhöht. Die Daten in der Haltestufe 152 werden über eine Leitung 154 ebenfalls dem Multiplexer 138 zugeführt.

Beim Betrieb wird nach der Untersuchung der ersten Zelle 12 der Startgenerator 126 angesteuert und ein Signal über die Leitung 124 in die erste Stufe des Registers 122 A geschoben. Dieses Signal wird dann dem Treiber 130 zugeführt, so daß die Transistoren in dem Treiber 130 erregt werden, um einen Stromkreis über das Relais K₁ zu schließen. Nachdem die Abgleichprüfung für das höchstwertige Bit (MSB) in der oben beschriebenen Weise ausgeführt wurde, wird ein Signal auf der Leitung 120 in die erste Stufe des Registers 122 A geschoben, wobei das vorher in der ersten Stufe befindliche Signal in die zweite Stufe geschoben wird. Die Daten in dem sukzessiven Näherungsregister 122 werden dann an den Treiber 130 gegeben, der die entsprechenden Transistoren erregt, um einen Stromkreis durch das Relais K₂ zu schließen. Nachdem wiederum die Abgleichprüfung vorgenommen wurde, wird das Register 122 wieder eine Stufe weitergeschoben, um eine auf der Leitung 120 auftretende Information zu empfangen. Die jetzt im Register 122 gespeicherten Daten werden wieder dem Treiber 130 zugeführt, um andere Transistoren zur Erregung des Relais K₃ einzuschalten.

Dieser Prozeß wird für die 16 in dem Register 122 gespeicherten Bits kontinuierlich fortgesetzt, und das Register 122 B liefert am Ende dieser Prüfung der 16 Bit ein Signal über die Leitung 132. Folglich werden die im Register für eine einzelne untersuchte Zelle gespeicherten 16-Bit-Daten in den Haltestufen 134 und 136 gespeichert und dann über den Multiplexer 138 der Serien-Anpassungsschaltung 25 C und dann dem Rechner 26 zugeführt, der diese Daten für die untersuchte Zelle auswertet. Gleichzeitig werden die Daten des Adressenzählers 148 in der Haltestufe 152 verriegelt und über die Leitung 154 durch den Multiplexer 138 der Serienanpassungsschaltung 25 C und schließlich dem Rechner 26 zugeführt, wobei diese Adresseninformation die einzelne untersuchte Zelle bestimmt.

Um eine neue Zelle 12 anzusteuern, wird auch der Adressenzähler um Eins erhöht, und diese Adressendaten werden dem Analog-Multiplexer 13 zugeführt, um die Schalter im Steuerstrom- Multiplexer 13 A und im Spannungs-Rückkopplungs- Multiplexer 13 B für einen weiteren 16-Bit-Versuchszyklus für eine neue Zelle zu schließen. Als besonders vorteilhaft ist anzusehen, daß dadurch, daß der Zähler 148 durch 128 Adressen ergänzt wird bzw. jeweils auf den neuesten Stand gebracht wird und nacheinander die 16 Bits im Register 122 geprüft werden, die Spannungsrückkopplungsinformation für jede Zelle erhalten werden kann, um mikroorganisches Wachstum in jeder Probe festzustellen.

Claims (4)

1. Verfahren zur Feststellung metabolischer Aktivität in wenigstens einem Wachstumsmedium, bei dem ein elektrischer Strom durch das Wachstummedium geführt wird, bei dem ferner der Spannungsabfall an dem Wachstumsmedium mit einer Referenzspannung verglichen wird und bei dem elektrische Signale zur Feststellung von Änderungen der elektrischen Impedanz des Wachstumsmediums erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des durch das jeweilige Wachstumsmedium geführten Stromes in Abhängigkeit von der Impedanz des Wachstumsmediums periodisch solange verändert wird, bis der Spannungsabfall über dem Wachstumsmedium gleich der fest eingestellten Referenzspannung ist, und daß dann ein elektrisches Signal erzeugt wird, das der Größe des durch das jeweilige Wachstumsmedium geführten Stromes entspricht, wenn der Spannungsabfall über dem Wachstumsmedium gleich der fest eingestellten Referenzspannung ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein elektrischer Strom außerdem durch eine Referenzzelle geleitet wird, in der keine metabolische Aktivität vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strom von der Spannungsquelle durch die Referenzzelle zur Erzeugung eines Spannungsabfalls geleitet wird, dessen Höhe gleich der Referenzspannung ist, und daß periodisch dann elektrische Signale erzeugt werden, die der Größe des Stromes entsprechen, der durch die Referenzzelle fließt, wenn der Spannungsabfall darüber der Referenzspannung entspricht.

Einrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Feststellung metabolischer Aktivität in wenigstens einem Wachstumsmedium (12) nach Anspruch 1, mit einer Schaltung zur Verbindung des Wachstumsmediums mit einer Wechselspannungsquelle (11) zur Erzeugung eines Stromflusses von der Spannungsquelle durch das Wachstumsmedium, gekennzeichnet durch einen Spannungserzeuger (11) zur Erzeugung einer fest eingestellten Referenzspannung, eine Schaltung (24) zur Änderung des Stromflusses von der Wechselspannungsquelle (11) durch das Wachstumsmedium und einen Spannungsvergleicher (21) zum Vergleich des durch den Stromfluß durch das Wachstumsmedium erzeugten Spannungsabfalls mit der Referenzspannung, dessen Ausgangssignal einer Auswerteschaltung (25) zugeführt ist, die bei Übereinstimmung des Spannungsabfalls am Wachstumsmedium mit der Referenzspannung ein der Größe des elektrischen Stromes durch das Wachstumsmedium proportionales Signal erzeugt.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, unter Verwendung einer Referenzzelle, in der keine metabolische Aktivität vorhanden ist und bei der eine Schaltung zur Verbindung der Referenzzelle (R) mit der Wechselspannungsquelle (11) vorgesehen ist, um einen Stromfluß von der Wechselspannungsquelle (11) durch die Referenzzelle (R) zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsvergleicher (21) ferner den aufgrund des Stromflusses erzeugten Spannungsabfall an der Referenzzelle mit der fest eingestellten Referenzspannung vergleicht und daß das Ausgangssignal des Spannungsvergleichers (21) der Auswerteschaltung (25) zugeführt ist, die bei Übereinstimmung des Spannungsabfalls an der Referenzzelle mit der Referenzspannung ein der Größe des elektrischen Stromes durch die Referenzzelle proportionales Signal erzeugt.